黑洞會吞掉整個宇宙嗎?

有些新聞喜歡嚇唬人,但這一次值得你好好看看。

黑洞會吞掉整個宇宙嗎?

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大型強子對撞機的一大驚人成果是我們靠它發現了希格斯玻色子比預計的要略微重一點,這在我們對真空結構的理解方面至關重要。真空布滿了希格斯場,並由此將質量帶給粒子。布滿希格斯場的真空被認為是希格斯勢能穩定的最低點。假如希格斯玻色子略重,那麼其勢能就必然有可能比當前真空更低。也就是說,今天我們宇宙的真空是一種「偽真空」,它處在一種中間狀態,而沒有達到完全、徹底的穩定。這種偽真空終有一天會衰變成能量更低的「實真空」,並釋放出巨大的能量,把當前緊密結合在一起的一切物質微粒全部撕裂。

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我們宇宙的真空可能是一種偽真空,其穩定是暫時的,最終會通過量子隧穿效應衰減為實真空。Gary Scott Watson
因此,在能夠造成「世界末日」的事件清單上,「真空衰減」名列前茅。

從測得的希格斯玻色子質量,以及其他能夠決定其勢能的參數,我們可以算出當前的真空需要多久才會發生衰減。偽真空會通過局部隧穿效應衰減成實真空,它首先會形成一個實真空泡,實真空泡將急速擴張,吞噬整個宇宙。希格斯玻色子的對稱性當初被打破時,可能發生過類似事件,使我們宇宙的物質總量略高於反物質總量。

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海德堡大學

這種隧穿效應會在我們的宇宙中持續多久,取決於實真空和我們所在的偽真空「勢壁」有多高。根據測算,以及我們目前對衰減所需時間的了解,這一過程要比當前宇宙的年齡長很多個數量級。因此即使真空發生衰減,其發生的時間也遠在宇宙中所有恒星耗盡燃料之後。

我們一直是這麼認為的。

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Philipp Burda / Ruth Gregorya / Ian G. Mossc
最近有一篇論文,闡述了黑洞對真空穩定性的影響。論文的作者指出,通常人們對真空衰減率的預測,並沒有考慮到引力場在真空衰減中起到的凝聚核作用,引力場的存在,會大大增加真空的不穩定性。他們估算了黑洞附近偽真空隧穿為實真空的可能性,結果發現比在通常情況下高出許多。真空發生衰減的時間,大致和一個黑洞蒸發殆盡所需的時間相當。

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Philipp Burda / Ruth Gregorya / Ian G. Mossc

隧穿效應在黑洞附近發生時和黑洞的質量密切相關。超大質量黑洞的視界曲度小,霍金輻射溫度低,隧穿的可能性很小。但隨著黑洞的質量因蒸發而不斷丟失,黑洞的溫度會逐漸上升,隧穿的可能性也會越來越大。如果黑洞的質量變得足夠小,那麼在黑洞周圍,極有可能會產生一個實真空泡。這個實真空泡會急速擴張,最終吞噬整個宇宙。

也就是說,如果某處真空衰減速度高於霍金輻射的速度,那麼黑洞邊緣附近的空間就會變得不穩定——衰減過程將以難以置信的速度擴張到整個宇宙——這種在劫難逃的災難會發生在黑洞即將蒸發殆盡之時。

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Pierre Cerrit

黑洞需要蒸發多久,才能縮小到足以觸發真空衰減,取決於黑洞的初始質量。黑洞越大,這個過程就越長。當今我們所知的黑洞——無論是恒星級黑洞還是超大質量黑洞——質量都足夠大,它們還不會因為蒸發而縮小。它們的溫度比宇宙微波背景還低,它們的質量不但不會丟失,反而會變大。

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當前我們已知的所有黑洞質量都在增加,而非蒸發和解體。伯明翰圖書館

根據推測,從早期宇宙的波動中產生的小型「原初」黑洞所擁有的質量是多種多樣的。假如它們真的存在,那麼其中的一些可能已經蒸發或者正在蒸發。人們一直期望能夠看到此類黑洞蒸發的跡象,但是仍然未能找到確鑿的證據。

假如論文中的觀點成立,那我們就可以知道,宇宙中到目前為止,還沒有黑洞蒸發殆盡,否則的話我們早已完結。但是由於原初黑洞的質量是多種多樣的,因此它們中的一些可能已經演化到了最終階段,隨時可能蒸發殆盡。也就是說,世界末日隨時都可能降臨。

這聽起來可太糟糕了,不過情況可能並沒有那麼嚴重。

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今日宇宙

嚴格說起來,原初黑洞存在的可能性雖然不能完全排除,但這是一個推測性很強的概念。很難找到一種既能滿足它們產生的條件,又不至於讓它們產生得太多的理論模型。這種模型要把原初黑洞產生的條件和當今宇宙的現狀連成一體。宇宙誕生時原初黑洞產生的條件是宇宙的密度起伏要比平均值高68%左右,但根據我們今天的觀測結果,宇宙當初的密度起伏只比平均值高0.003%。更重要的是,真空衰減率的估算需要量子力學和引力理論產生關聯,而這顯然是一個尚未完成的任務。

還有一種情況,也就是那些大型對撞機。雖然它們到目前為止還沒有製造出任何微型黑洞,但是嚴格說起來,可能性是有的。

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大型強子對撞機。有人擔心它會製造出微型黑洞,但我們實際上什麼也沒看到。物理學世界

不過對撞機製造出來的黑洞多半位於更高的維度,其真空也是如此,因此適用的理論完全不同。迷你黑洞給我們帶來傷害的可能性極小,對撞機不太可能產生宇宙史上從未出現過的事件。

Sabine Hossenfelder 文 / 老孫

墨菲定律

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位我上者,燦爛星空

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